Les problèmes à résoudre afin de construire un ordinateur quantique peuvent être classés en deux catégories : quincaillerie et logiciels. Dans le premier cas, il faut apprendre à assembler un système de taille macroscopique, c'est-à-dire qui compte vraisemblablement plusieurs milliers ou plusieurs millions d'éléments qui puissent exécuter une série d'opérations tout en maintenant un état quantique cohérent.  Considérons le système très simple et typique de la lumière envoyée contre une paroi avec deux fentes côte à côte. De l'autre côté de cette fente, on voit sur le mur des raies de lumière d'intensité variable, c'est ce qu'on appelle un spectre de diffraction. Si on considère maintenant ce processus au niveau d'un seul grain de lumière, dit photon. Dans l'interprétation actuelle de la mécanique quantique, le photon, ou sa fonction d'onde, passe par les deux fentes et ce n'est que lorsqu'il heurtera le mur et sera absorbé par un atome à sa surface que sa position sera fixée. Puisque la distribution de probabilité des photons suit les lois de l'optique, le patron de diffraction prendra forme, doucement, au fur et à mesure que les photons frapperont le mur. On peut aussi voir ce phénomène comme l'interaction entre les fonctions d'onde qui arrivent de chacune des deux fentes. Pour que le patron de diffraction se forme, il est essentiel que les deux parties ne soient pas perturbées indépendamment et qu'elles restent donc cohérentes, ou en phase, jusqu'au moment où elles frapperont le mur.

Cette exigence n'est pas difficile à remplir pour la lumière car les photons n'interagissent pas entre eux. À moins d'une collision, très peu probable,  avec un atome dans l'air, la cohérence ne sera pas perdue.

Malheureusement, pour fabriquer un ordinateur quantique, il faut à la fois que les composantes de l'ordinateur puissent interagir entre elles de manière complexe, afin d'exécuter le programme, tout en étant isolées du reste du monde, afin de préserver la cohérence quantique de l'ordinateur. Présentement, on sait construire des systèmes qui satisfont à chacune des deux conditions séparément. Ainsi, on a réussi, il y a une dizaine d'années, à préparer des amas de plusieurs dizaines, ou même, plusieurs centaines d'atomes isolés dans un unique état quantique, qu'on appelle le condensé de Bose-Einstein. Malheureusement, l'identité des atomes disparaît dans cet état et il est donc impossible de les programmer — tous les atomes opérant les mêmes opérations en même temps, comme un seul gros atome.

Plusieurs solutions à ce problème sont à l'étude présentement. La plupart ciblent des systèmes à l'échelle nanométrique maintenus à des températures très faibles (une fraction de degrés Celsius au-dessus du zéro absolu). Aucune solution n'est appropriée pour un vrai ordinateur quantique et on ne sait pas si une telle solution existe. Quoi qu'il arrive toutefois, ces études nous permettent de tester la mécanique quantique et de vérifier, à des échelles atomiques, tous les concepts qu'on croyait n'être que des questions de métaphysique.

Comme le rapport Philip Ball dans Nature, le cas des logiciels est différent. Depuis qu'on a commencé à parler des ordinateurs quantiques, il y a presque 15 ans, on ne connaît que deux algorithmes qui gagneraient à être implémentés sur un ordinateur quantique : l'algorithme de Schor, inventé en 1994, et qui permet de factoriser rapidement un nombre en ces facteurs premiers, et l'algorithme de Grover, développé deux ans plus tard, et qui offre une manière efficace de faire une recherche dans une base de données.  Sinon, c'est le néant. Pour le moment, il ne semble pas que les ordinateurs quantiques puissent permettre le développement de jeux vidéo encore plus puissant ou, paradoxalement, un calcul plus efficace des propriétés quantiques des matériaux.

Heureusement pour les chercheurs du domaine, l'algorithme de Shor a ouvert la porte à un financement considérable. En effet, la factorisation de grands nombres est à la base de la cryptographie, ce qui intéresse fortement les services de renseignements et l'armée, qui représentent aujourd'hui la principale source de financement dans le domaine.

Les travaux nécessaires pour le développement de l'ordinateur quantique sont représentatifs de plusieurs des grandes questions de l'heure en mettant l'accent sur la multidisciplinarité. Cette machine de rêve ne verra le jour que grâce à une étroite collaboration entre physiciens, chimistes, mathématiciens et informaticiens. Un pour tous et tous pour un. Alexandre Dumas l'avait bien compris.

Articles de Nature sur les ordinateurs quantiques (en anglais) (Il semble que ces articles soient disponibles pour tous.)